Uplatnění 3D tisku v ORL

Ačkoli první pokusy o 3D tisk spadají do 80. let 20. století, v medicíně nachází uplatnění v zejména v posledních 15 letech. V roce 2017 byl v časopisu Otorinolaryngology – Head and Neck Surgery publikován přehledový článek, který dokumentuje exponenciální nárůst počtu článků na téma 3D tisku v klinické praxi: zatímco v roce 2006 bylo publikováno 19 článků v anglickém jazyce, v roce 2014 to bylo již 375, a v roce 2015 dokonce 680 publikací.

Předpoklady využití 3D tisku

Samotnému 3D tisku předchází několik netriviálních kroků. V první řadě je zapotřebí znát přesné rozměry a tvar požadovaného materiálu – dlahy, implantátu apod. Ke zpracování těchto vstupních dat a k vytvoření požadovaného 3D modelu je nutný software CAD (Computer-Aided Design). Samozřejmě musí být k dispozici vhodný biokompatibilní materiál a dostatečně precizní 3D tiskárna. Uplatnění 3D tisku v medicíně by tak nebylo možné bez pokroku v několika spolupracujících oborech:

• zobrazovací metody
• 3D skenování
• výpočetní technika, CAD software
• materiálové inženýrství

3D modelování

Pro některé medicínské projekty je možné modelovat objekt de novo. Častěji je však zapotřebí některá sada vstupních grafických dat:

• formát DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), tedy výstup z rtg, CT a MRI, v alespoň 1mm rozlišení
• 3D sken objektu (obličeje, ucha apod.)
• sdílená data, např. projekt volně dostupný na internetu (viz knihovna 3dprint.nih.gov)

Výstupem z CAD programu je soubor ve standardizovaném formátu, se kterým si poradí 3D tiskárna.

Materiály a způsoby 3D tisku

Technický popis různých způsobů 3D tisku přesahuje rozsah tohoto článku. Nejznámější způsob 3D tisku, tedy vrstvení termoplastového polymeru (ABS, PLA, PET, ASA aj.), je jen jednou z mnoha možností. Jiné metody jsou založeny např. na fotopolymeraci materiálu UV světlem nebo na zpracování práškového substrátu pomocí laseru, přičemž materiálem může být plast, pryskyřice, ale i kov či keramika.

Zcela speciální způsob 3D tisku představuje tzv. bioprinting. Jedná se o prostorové vrstvení živých buněk (fibroblasty, kmenové buňky) spolu s růstovými faktory a s živinami v nosné substanci na bázi želatiny, alginátu. Technologie přináší zcela nové možnosti; je otázkou, zda a kdy se podaří „vytisknout“ celé nové funkční ledviny, játra či srdce.

3D tisk v praxi

Plánování operace

Individuální komplexní model lební baze včetně nervového a cévního zásobení je užitečným nástrojem při plánování trepanace spánkové kosti nebo operačního přístupu k petrokliválním nádorům, tumorům nosohltanu a parafaryngu. Umožňuje chirurgovi „osahat“ si terén, nacvičit techniku, předvídat možné komplikace a tím zkrátit čas operace. Speciální aplikací je plánování poporodního zajištění dýchacích cest a chirurgické korekce maxilofaciálních vrozených vad zjištěných in utero: ještě před porodem je možno vytisknout realistický model hlavy a krku dítěte.

Rekonstrukční a plastická chirurgie

V anatomicky a tvarově složité kraniofaciální oblasti je velkou výhodou možnost použití individuálně tvarovaných dlah, implantátů a zubních náhrad pro rekonstrukci zlomenin. Široká škála aplikací dále zahrnuje např. septální knoflík pro zakrytí perforace nosního septa, ale i různě složité epitézy a protézy po onkologických operacích (maxilektomie, exenterace očnice).

Ukazuje se reálná možnost individuální výroby částí obličejového, ale i laryngeálního a tracheálního skeletu pomocí chondrocytů, osteoblastů či mezenchymových buněk aplikovaných na nosič vytisknutý z polykaprolaktonu či jiného polymeru, jsou popsány pokusy o vytvoření celé nové mandibuly.

Hledají se cesty k náhradě ušních a nosních chrupavek či bubínku. Technologie 3D tisku přináší lepší kosmetický výsledek, zkracuje operační čas a redukuje nutnost reoperací.

Nástroje a pomůcky

3D tisk umožňuje vyrobit nástroje na míru dle anatomických poměrů pacienta a speciálních požadavků chirurga. Jedná se např. o rozvěrače, tubusy a fixátory pro přímou laryngoskopii, robotickou chirurgii atd. Plastový materiál je dostatečně pevný a nespornou výhodu má při CT či MRI navigovaných operacích, kdy odpadají artefakty z kovových nástrojů.

Pro pacienta se spánkovou apnoí lze v rámci léčby trvalým přetlakem vytisknout individuální obličejovou masku, která zlepší komfort a compliance a sníží zbytkový AHI (index apnoe/hypopnoe).

Výuka

Funkční endonazální endoskopická chirurgie nebo trepanace spánkové kosti jsou náročné na prostorovou orientaci a zručnost chirurga, který operuje ve stísněném, anatomicky složitém terénu v bezprostřední blízkosti důležitých nervů, velkých cév, nitrolebí, očnice. Nácvik na kadaveru má technické a organizační limity, zejména pokud je k operaci zapotřebí endoskopická technika či operační mikroskop.

Tento problém řeší 3D tisk, zejména pak technologie umožňující heterogenní tisk – polypy a sliznice jsou z jiného materiálu než kostěné struktury atd. Vizuální a haptický vjem z takto vyrobené spánkové kosti nebo z paranazálních dutin se velice blíží reálnému zákroku. Navíc lze takto simulovat libovolnou patologii nebo i raritní anatomické variety.

Budoucnost 3D tisku v medicíně

Komplexní struktury – celé orgány včetně cévního systému, osídleného endotelovými buňkami; v ORL středoušní kůstky, struktury vnitřního ucha, nosní skořepy, součásti hrtanu... to je jen malý výčet z různých uvažovaných aplikací 3D tisku. Předpokladem pro jeho využití v medicíně je vznik pracovišť specializovaných na 3D tisk, která budou spolupracovat s více nemocnicemi a obory. Tak je možno technologii zlevnit. Bohužel významným limitem 3D tisku zůstávají legislativní omezení – každý jednotlivý materiál a nová aplikace vyžadují náročnou certifikaci pro použití v biomedicíně.

(thr)

Zdroj: Crafts T. D., Ellsperman S. E., Wannemuehler T. J. et al. Three-dimensional printing and its applications in otorhinolaryngology – head and neck surgery. Otolaryngol Head Neck Surg 2017; 156 (6): 999–1010, doi: 10.1177/0194599816678372.